锈蚀钢筋混凝土梁的承载力

1、锈蚀钢筋混凝土结构承载力摘要：本论文主要是研究和讨论在既成的方法下，对锈蚀混凝土梁的展开研究。通过向混凝土梁环境中添加氯化钙以及密度为的电流，这种功效相当于在高强度腐蚀混凝土结构中测得腐蚀电流的十倍。据研究表明，梁结构在使用期间，钢筋锈蚀既加大了其变形也增大裂缝宽度。同时，钢筋锈蚀降低了构件极限承载力。除此之外，随着配筋比的不同，钢筋锈蚀也改变了混凝土梁的破坏模式。本实验中测试的梁有弯曲破坏，剪切破坏等其它模式。测试梁试验表明，由于钢筋的锈蚀，混凝土表面的点蚀以及裂缝的开展已经成为试验中最为相关的危害。综合考虑由于钢筋的锈蚀，混凝土截面以及钢筋截面都会消减，通过RC模型可以计算出梁的极限弯矩值

2、以及极限剪切力承载值。关键词：锈蚀；混凝土；承载力简介钢筋的锈蚀是造成混凝土结构早期恶化，减小使用寿命的主要因素之一。由于混凝土表面的碳化作用或者是氯化物的侵蚀，侵蚀剂到达钢筋表面，钢筋的锈蚀可能对下列因素产生影响：钢筋，钢筋截面的消减以及力学特性的变弱混凝土，锈蚀产物的膨胀导致混凝土表面产生裂缝钢筋混凝土组合结构，其粘结性能退化同样，混凝土结构地安全性和适用性也受到了很大的影响。由于大量的恶化混凝土结构的存在，什么时候修理？怎样修理？这些问题都必须寻找紧急的解决方案。然而，对于结构地评估却缺少大量的模型。对于这个主题，于1992年制定的Brite/Euram BE4062计划正式实施，用来评

3、估钢筋锈蚀、冻融、碱硅反应对混凝土结构影响的模型均已经建好。实验工作研究的目的通过大量的试验研究工作，锈蚀钢筋对混凝土结构的影响在Brite/Euram计划中已经被评估出来。锈蚀对于混凝土裂缝开展以及粘结力的退化在前面的很多论文中发表过，这里就不在详细讨论。第一步，对31根梁采取不同的变量如下：锈蚀等级：对无锈蚀以及不同程度锈蚀钢筋的混凝土梁进行测试。详尽的配筋图：对不同配筋的梁进行测试，需要考虑下面这些因素： 张拉钢筋的配筋率：由于粘结力的退化，随着组合作用的降低，混凝土梁的荷载承载力降低以及变形增大，这些影响取决于张拉钢筋的配筋率。 受压区配筋率：抗压钢筋的增加，使得混凝土受压锚固端截面减

4、少，就加大了混凝土开裂的危险，其同样也影响混凝土的承载力。 剪力筋：抗剪钢筋影响张拉钢筋与混凝土的粘结退化，影响梁受压区混凝土产生裂缝的风险以及混凝土梁的破坏模式。 钢筋的消减：当张拉筋锚固于支撑区，支撑端有很大的局限。相反，这种局限性在锚固区外不予以考虑。因此锚固损失是可能发生的。钢筋锈蚀与承载力之间的内在联系：在大多数测试梁中，当梁还没有开始加载时，就已经有锈蚀发生。本实验的第二步，为了探究锈蚀筋与承载力间的关系，对于不同10根梁的研究，已经取得了一定的成果，但该成果在本对文中没有表达出来。关于梁的介绍保证试验的充分进行，本文采用了6种不同类型的梁，从浇筑，锈蚀以及锈蚀测试。除了第一种类型

5、梁的尺寸是2050×200×150mm外，其他类型的梁均是2300×200×150mm。这些梁的特性在表1与图1中均显现出来，第一种类型的梁准备用来做加速锈蚀试验以及承载力试验。通过梁的类型的不同，能够研究不同类型对于混凝土梁表现差异，比如： 第一类型的梁仅底部钢筋锈蚀，而其他类型的梁纵向钢筋和剪力筋均锈蚀。 型号11与12的梁有不同的张拉筋配筋率（分别为0.52%、1.51%）。 12号梁与21号梁有不同的受压区配筋率（分别为0.33%、0.66%）。 21号梁与31号梁的剪力筋有不同的间距（分别为170mm、85mm）。12号梁与13号梁有相同的配筋

6、率，但13号梁50%的张拉钢筋位于锚固区外。表1 混凝土梁的特性梁混凝土钢筋类型单元类型抗压强度（*）张拉筋抗压筋箍筋11（+）42212286/15cm112150210286/17cm4234210286/17cm122148412286/17cm4235412286/17cm132152212+212(-)286/17cm4237212+212(-)286/17cm212150412486/17cm4235412486/17cm312149412486/8.5cm4237412486/8.5cm表2总结了由硅质沙、石灰岩等粗骨料混合组成的混凝土。需要指出的是粗骨料的含水量都还不清楚，因此

7、，混凝土中总的含水量不是准确的清楚。为了加速钢筋的锈蚀，（占水泥重量的3%）被加入在类型2混凝土中的水溶液中（表2）。表2 混凝土组合比混凝土12混凝土型号（kg/）350350粗骨料6/12mm（kg/）970970细骨料6/12mm（kg/）860860含水量（kg/）增塑剂HP1（kg/）1.751.75（kg/）10.5坍塌量cm5812118加速锈蚀系统梁从浇筑到加工处理需要28天，在室内环境内提供一个水利系统保证梁处于潮湿的环境。从而，加速腐蚀过程便开始，向梁中添加。为了达到所需要的锈蚀程度，一般需要100200天。图2给出了测试锈蚀程序的需要安排，钢筋必须必须能承受密度为100强

8、度的电流，通过不锈钢反电极施加在混凝土表面，当前的强度值相当于10倍在高强度锈蚀混凝土结构中测得的锈蚀电流。当锈蚀开始一直达到计划预定的锈蚀程度，每个两种便都呈现出详细的裂缝构造图，图3给出了214号梁的裂缝图，表3给出了每个梁加速腐蚀的时间以及寝室破坏后钢筋半径的减少量。评估渗透程度采用的是计重法，称得钢筋锈蚀前后的重量，洗净锈蚀产物后，加载直到梁破坏、混凝土产生变形，那么最大值便可以通过几何量在点蚀钢筋上测得。图2 加速锈蚀安排计划图3型号214梁中由锈蚀引起的混凝土开裂图表3 加快腐蚀结果图荷载测试钢筋锈蚀后，梁体经过测试一直到加载破坏，图4给出了不同于型号1的荷载测试安排。该图中可以看

9、出，梁仅仅是简支，除了型号1的梁在梁中心截面两边对称284mm处作用着集中荷载外，其它型号的梁均是距离中心截面对称200mm处作用集中荷载。跨中截面荷载由最大承载力为200KN的液压动作器提供，集中于仅有两个支撑点支撑的钢构件处（见图4）。图4 荷载测试安排荷载量以及控制系统必须完成下面一些因素：a)锚固于厚地板上的钢筋反应；b）水利系统；c）荷载位移传感器；d）控制实验的恒定脱位率电力控制台。荷载位移传感器可以用来测量梁体跨中截面的竖向位移，千分表用来测量底部钢筋和混凝土间的粘结滑移，延伸仪测量受压区混凝土张力。荷载测试分为两个阶段。在第一个阶段，荷载一直增加到计算的使用荷载，第二阶段，荷载

10、加到直到梁体破坏。在第一阶段期间，荷载以每阶段0.8mm的节奏增加，测量每一阶段的变形以及混凝土表面的裂缝。当达到预计使用荷载时，暂停加载十分钟。当再一次测量变形与裂缝时，梁体必须是卸载，然后又无加载暂停十分钟。第二阶段以每分钟0.8mm变形的节奏加载，一直加到使用荷载强度。然后再以每分钟1.5mm的变形速率加载，直到实验结束时，变形大到相当于达到最大荷载。结果表4总结了在锈蚀钢筋或不锈蚀钢筋情况下梁体的荷载测试结果，在比较这些结果之前，需要指出的是，非锈蚀钢筋混凝土抗压强度值比锈蚀钢筋混凝土抗压强度值高。使用荷载；不考虑钢筋锈蚀引起的减少，每个破坏梁中的荷载评估系统已经建立起来，观察表4可以

11、看出，梁体跨中的变形由于锈蚀的影响而增大。钢筋截面面积的减少，混凝土截面的压坏，混凝土和钢筋之间粘结力的退化以及最终相对较低的混凝土受压承载力能够解释这种现象。锈蚀同样影响混凝土与主筋之间的横向裂缝，由于粘结力的退化，影响其间距以及裂缝宽度。然而，需要指出的是，在高度破坏梁体获得可靠的措施测量混凝土表面裂缝的困难是梁体必须先前就被腐蚀。表4 试验结果极限荷载：表4中的最后3列展示了荷载测试的结果，相当于最大荷载，有4种不同类型的破坏模式（图5）：类型1：弯曲破坏（底部张拉筋）类型2：弯曲破坏（受压区混凝土压碎）类型3：剪切破坏类型4：由锚固张拉筋共同引起的斜压破坏图5 锈蚀钢筋混凝土梁中破坏模

12、式型号1类梁不管钢筋有无锈蚀都发生少筋破坏，原因由于张拉钢筋（1、11）配筋率较低引起的。型号2类梁由于张拉筋配筋率较高发生破坏（12、21、31）。同样证明在31类型锈蚀梁体中由于较高的剪力筋配筋率造成的。型号3类型梁体中几乎所有破坏模式都是由于高配筋率的锈蚀张拉钢筋以及较大的剪力筋间距造成，其间距接近有限深度值（大部分型号12和型号21的梁体箍筋间距均为170mm）。两种原因可以解释这种由弯曲引起的混凝土压碎破坏模式： 由于点蚀作用，箍筋的有效截面减少。 由于上部混凝土表面裂开，受剪区混凝土有效截面减少。梁持续承受荷载作用，所承受剪力引起该裂缝开展。同时由于锈蚀产物造成受压区剪力筋压力变化

13、。最后，型号4梁体破坏由于张拉筋的消减（13），不论钢筋是否锈蚀。然而，135号以及136号梁发生剪切破坏，因为箍筋上的有效点蚀发生在混凝土与主要张拉筋产生滑移之前。结果的讨论型号1梁体在最大荷载下的试验弯矩值接近用钢筋混凝土相对模拟时考虑底筋截面缩减的计算值。在这个梁中，由于顶部筋以及箍筋均未锈蚀，所以混凝土表面没有任何损伤。图7说明了在最大荷载作用下由于弯曲破坏（不包括1类梁）的弯矩值。或者是少筋破坏（11）和超筋破坏（31）。同样，通过相对模型模拟图7也说明了每类型梁的两种计算值，该模拟方法必须考虑一下因素： 为了更高强度值，要么考虑由于点蚀主要受力筋截面的缩减，混凝土截面有效深度为“d

14、”（图6，截面1）。 为了强度降低，或者考虑由于点蚀引起的主力筋截面缩减，混凝土截面有效深度为“d-”（图6，截面2）。在这种假设前提下，没有考虑顶部混凝土表面的效应，这种效应是由受压钢筋和剪力筋的锈蚀造成的。图7中可以看出每个试验梁测得的结果位于最大值与最小值之间。因此，通过相对模型模拟，并且考虑混凝土截面和钢筋截面的缩减，较为准确的预测出在高度锈蚀情况下的极限弯矩值是可行的。图6 恶化钢筋混凝土截面模型图7 型号11、13梁体极限弯矩正如前面所陈述的，大部分型号12、22中有锈蚀筋的梁发生剪切破坏，然而在无锈蚀筋梁中，这种破坏模式为弯曲破坏。图8和图9说明了在最大荷载作用下这些梁体在锈蚀筋

15、作用下的剪力值。图中通过欧洲规范2的标准方法陈列了三组计算值。考虑如下一些因素：为了更高强度值，要么考虑由于点蚀引起的箍筋截面缩减，混凝土截面有效深度为“d”（图6，截面1）。为了达到中间强度值，或者考虑由于点蚀引起的箍筋截面缩减，混凝土截面有效深度为“d-”（图6，截面2）。在这种假设条件下，在这种假设前提下，没有考虑顶部混凝土表面的效应，这种效应是由受压钢筋和箍筋的锈蚀造成的。 为了更低强度值，或者考虑由于点蚀引起的箍筋截面缩减，混凝土截面有效深度为“d-”，宽度为“b-2”（图6，截面3）。这种假设条件下，既不用考虑由受压钢筋和箍筋的锈蚀造成的混凝土表面效应，也不用考虑周边混凝土的作用。

16、图8 锈蚀钢筋作用下12混凝土梁的极限剪切力图9 锈蚀钢筋作用下21梁混凝土梁极限剪切力图8和图9可以看出，每个梁的试验结果均位于计算值之间，混凝土截面有效深度为“d-”和宽度为“b-2”或“b”。因此，通过欧洲规范2标准方法，并且考虑混凝土截面和钢筋截面的缩减，较为准确的预测出在高度锈蚀情况下的极限剪切力是可行的。需要指出的是，在12和21号梁中极限剪切力相对增大，相当于125和214类型梁达到最大程度地腐蚀。这种情况同样发生在其他类型的测试梁中。对于这些高度锈蚀钢筋梁体的特征，有两种解释，张拉筋与混凝土在剪跨区的粘结强度位于1.6至1.9MPa之间。这些强度值取决于最大荷载作用下的剪力值以

17、及由混凝土有效深度“d-”的减少值。另一方面，对于这种程度地锈蚀，粘结强度1.5至1.7MPa的粘结强度值建立起来。因此，粘结力可能沿着剪跨区逐渐减弱。最终，由于50%的底部筋锚固于支撑区外，类型13恶化梁要么是剪切/粘结破坏，要么是剪切破坏。暂且不考虑剪切作用与粘结作用间的内在联系，需要指出的是通过欧洲规范2标准方法，并且考虑混凝土截面和钢筋截面的缩减，较为准确的预测出在高度锈蚀情况下的极限剪切力是可行的。结论一种先进的关于恶化混凝土梁的相关研究已经表达出来，通过对有锈蚀筋或者充分暴露钢筋的梁体的深入研究，未来的方向是模拟锈蚀作用对粘结力的影响。对Brite/Euram的BE4062计划的总结和讨论，通过往水中添加和持续通入强度为100/的电流，这种强度相当于10倍高度锈蚀混凝土梁中测得腐蚀电流，并且本实验测得的数据值比其他学者试验数值低许多。本项研究工作可以得出下面一些初步结论：锈蚀筋对混凝土梁的特性有很大影响，在使用荷载作用下，影响变形和裂缝宽度，降低极限承载力。钢筋锈蚀改变了混凝土梁在